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コロイド粒子、天然物質のクラス、その相挙動も勉強に値する Sep 26, 2017

結晶融解および結晶化は、通常は典型的な一次相変化である一般的な現象である。 相変化は、それが多数の粒子リンケージおよび普遍的なクラスの欠如を伴うので、これまでのところ基本的な理論ではなかった。 対照的に、連続相変化の現象論的理論は、半世紀前のランダウによって与えられている。 結晶化および溶融において、初期平衡状態および最終平衡状態およびいくつかの中間状態を熱力学的に計算することができるが、相変化の動的過程を予測することは困難である。 特に、溶融と結晶核形成プロセスの初期段階では、その複雑さと分子が小さ過ぎて、動きが速すぎるため、三次元物体内の単一分子は観察できず、その結果、そのミクロプロセスと不可欠なメカニズムが存在するまだ多くの不明な質問があります。

1960年代後半には、コロイド粒子システムは原子および分子システムに類似していることが判明しました。 いわゆるコロイド粒子は、通常、10nm〜10μmの粒子を含む溶液を指し、小さい粒子は、ブラウン運動が強く、牛乳、インク、染料などの沈殿物ではない。 80年代から90年代にかけて、コンピュータ画像処理の登場により、凝縮物の物理現象をシミュレートするための「大きな原子」としての均一なマイクロコロイド粒子粒子を用いて、ソフトマテリアル物理学の分野における一連の方法が開発された粒子の熱運動を直接光学顕微鏡で観察し、粒子のリアルタイム軌道を画像処理で得て、様々な定量的測定を行う。 粒径が可視光半波長0.3μmより大きい場合、光学顕微鏡粒子によって直接見ることができる。 ミクロンの粒子は、顕著な熱運動を伴わずに粉末の形態で空気中に蓄積する。 したがって、粒子は溶液中に懸濁していわゆるコロイド粒子を形成しなければならず、均一なサイズのコロイド粒子ビーズは気体、液体、結晶、ガラス相を形成することができ、相変化の研究のためのプラットフォームを提供する。 オパールの宝石はコロイド粒子の結晶です。 5μm未満の直径を有するコロイド状粒子粒子は、水中で強いブラウン運動を有し、熱平衡を達成することができる。 大きすぎる粒子は著しい熱運動を失い、熱力学的相転移の研究には適していない。 20年の研究の後、原子および分子モデルのモデルとしてのコロイド粒子は広く認識されている。 コロイド粒子システムと分子システムの相変化は同じではありませんが、2つは相互参照になります。 コロイド粒子自体が天然物質の一種であるが、その相挙動も勉強する価値がある。

コロイド粒子系および分子系は、以下の相違点を有する:(1)コロイド粒子相挙動は、主として、空間ではなく、空間の総体積、すなわち体積分率に対する粒子の総体積の比によって決定される。 体積分率は、分子系のコロイド粒子中の温度の役割を果たす。 (図2(c)を参照してください)、小さなボールの間のギャップが結晶にボールの温度に上昇した温度にかかわらず、ボールを格子位置から外すのに十分でない限り、結晶がどれだけ高いか溶けるのが難しい。 ハードボールの場合、粒子間のポテンシャルエネルギーはU = 0であり、その自由エネルギーF = U-TS = -TSはエントロピーSによって支配される。エントロピーは、主として移動可能な粒子の自由体積によって決まる。 エントロピーは平衡状態で最大であり、自由エネルギーは最も小さい。 そして、原子や分子は、最初の相互作用の可能性があり、エントロピー効果は無視できます。 (2)真空中の分子とは異なり、コロイド状粒子粒子は溶液中にあり、運動は過度に減衰する。 マイクロ粒子のブラウン運動では、水分子の衝突によって生じる各弾道運動は0.1μsのスケール上にあるため、通常の30フレーム/秒のビデオ周波数では、隣接する2つのマイクロ粒子を見るランダムウォーキング後の多くのステップの拡散運動であり、平均変位の2乗は時間に比例するが、平均変位は時間に比例しないので、速度は定義されない。 (3)コロイド粒子粒子間の流体が粒子に複雑な相互作用をもたらす。 粘性係数が運動量であることを考慮すると、これらの流体は、平衡状態のような静的力の構造に影響を与えることなく、平衡状態で互いに相互作用するが、単粒子運動およびシステムの動力学にほとんど影響を及ぼさない。 (4)同じ種類の分子が同じであり、コロイド状粒子粒子が幾分不均一である。 (5)熱運動エネルギーkBTとエントロピーはコロイダル粒子では重要な役割を果たしますが、基本的に量子効果はなく、これもソフト物質の共通の特徴です。 コロイド粒子粒子と分子の両方のエネルギーはkBT(kBはボルツマン定数)のオーダーであるが、コロイド粒子の粒子径はその103倍であり、数密度は分子の109倍である、熱容量および相潜熱もまた、分子系の109倍小さい。 もう1つの弾性率は分子システムよりも109倍小さく、いわゆる「柔らかい」材料です。